芯東西7月31日消息，近日，IBM研究人員針對(duì)其“7nm and Beyond”項(xiàng)目在芯片技術(shù)方面的創(chuàng)新，向業(yè)界分享了他們的觀點(diǎn)。架構(gòu)方面，IBM認(rèn)為納米片晶體管超越FinFET的重要技術(shù)。同時(shí)，人工智能技術(shù)發(fā)展下的異構(gòu)架構(gòu)系統(tǒng)將成為未來(lái)計(jì)算發(fā)展的關(guān)鍵。

早在2014年，隨著“摩爾定律將死”的觀點(diǎn)在芯片行業(yè)四起，雄心勃勃的IBM耗資30億美元，啟動(dòng)了一個(gè)名為“7nm and Beyond”的項(xiàng)目，期望通過(guò)為期5年的研究，看看在芯片尺寸不斷縮小的物理效應(yīng)作用下，未來(lái)的計(jì)算技術(shù)將如何發(fā)展。

“在實(shí)現(xiàn)設(shè)備擴(kuò)展和性能差異化的過(guò)程中，都無(wú)法停止對(duì)新設(shè)備架構(gòu)和新材料的探索?！盜BM高級(jí)邏輯和存儲(chǔ)技術(shù)研究、半導(dǎo)體和AI硬件部門(mén)主管Huiming Bu談到，雖然摩爾定律已無(wú)法很好地指導(dǎo)芯片技術(shù)的發(fā)展，但在計(jì)算領(lǐng)域，創(chuàng)新仍是發(fā)展的必經(jīng)之路。其中，“7nm and Beyond”項(xiàng)目就能夠滿足計(jì)算領(lǐng)域不斷增長(zhǎng)的創(chuàng)新需求。

一、芯片邁向7nm的關(guān)鍵：EUV光刻技術(shù)

2015年，在整個(gè)芯片行業(yè)都處于14nm向10nm制程工藝轉(zhuǎn)型的時(shí)期，IBM宣布了全球首款7nm測(cè)試芯片，由格羅方德、三星和紐約州立大學(xué)理工學(xué)院納米工程合作研發(fā)。

當(dāng)時(shí)，他們首次在晶體管中加入了一種名為“硅鍺”（簡(jiǎn)稱SiGe）的材料，以替代原有的純硅，同時(shí)還采用了荷蘭光刻機(jī)巨頭ASML的極紫外光刻（EUV）技術(shù)。

在芯片制造過(guò)程中，光刻是一種通過(guò)利用光學(xué)和化學(xué)反應(yīng)原理，將芯片電路圖轉(zhuǎn)移到晶圓表面的工藝技術(shù)。一般的光刻工藝需要經(jīng)過(guò)清洗烘干、旋涂光刻膠、對(duì)準(zhǔn)曝光和刻蝕等數(shù)百道工序，占整個(gè)芯片制造環(huán)節(jié)的50%左右。

EUV技術(shù)則是一種采用波長(zhǎng)13.5nm的極紫外光作為光源的光刻技術(shù)，對(duì)光照強(qiáng)度、能耗效率和精度等都有極高要求。

在2015年，市場(chǎng)上主流的光刻技術(shù)為波長(zhǎng)248nm的KrF光刻和波長(zhǎng)193nm的ArF光刻，均采用浸沒(méi)式DUV光刻機(jī)，而ASML的EUV光刻機(jī)也才剛進(jìn)入商用階段不久。

據(jù)了解，與當(dāng)時(shí)的10nm工藝芯片相比，IBM的7nm芯片面積縮小將近一半，可容納超200億個(gè)晶體管，效能也提升了50%。

在Huiming Bu看來(lái)，EUV不僅是推進(jìn)芯片實(shí)現(xiàn)7nm節(jié)點(diǎn)，并超5nm制程不斷發(fā)展的的關(guān)鍵技術(shù)。

Huiming Bu談到，回望2014年到2015年，整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)EUV技術(shù)的實(shí)際可行性都存在著很大疑問(wèn)，但現(xiàn)在EUV技術(shù)已成為推動(dòng)芯片先進(jìn)制程發(fā)展的主流技術(shù)。“當(dāng)IBM基于EUV技術(shù)交付第一款7nm芯片時(shí)，它幫助我們建立了行業(yè)使用EUV制造的動(dòng)力和信心?！彼f(shuō)。

但I(xiàn)BM的野心不止于7nm，而是要超越7nm。

二、摩爾定律發(fā)展的“最后一步”：納米片晶體管

在IBM看來(lái)，納米片晶體管（Nanometers transistor）將是實(shí)現(xiàn)超越FinFET（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管）的重要基礎(chǔ)元素，亦是FinFET架構(gòu)的替代品，有望實(shí)現(xiàn)芯片制程從7nm到5nm、3nm節(jié)點(diǎn)的過(guò)渡。也有不少行業(yè)人士認(rèn)為，納米片晶體管很可能是摩爾定律發(fā)展的最后一步。

為此，IBM研究人員研發(fā)了首批碳納米晶體管。

何為納米片晶體管？簡(jiǎn)單地說(shuō)，納米片場(chǎng)效應(yīng)晶體管能夠使電流流經(jīng)多疊層硅片，這些硅片完全被晶體管柵極所環(huán)繞。該設(shè)計(jì)大大減少了關(guān)閉狀態(tài)下可能泄漏的電流量，讓開(kāi)關(guān)在打開(kāi)時(shí)可使用更多電流來(lái)驅(qū)動(dòng)器件。

“三年前，業(yè)界對(duì)FinFET以外的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)提出疑問(wèn)；三年后，整個(gè)行業(yè)都在支持納米片晶體管技術(shù)，認(rèn)為它將是繼FinFET后的下一代半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)?！盚uiming Bu說(shuō)。

其中，三星就打算在研發(fā)3nm制程節(jié)點(diǎn)時(shí)，引入納米片晶體管技術(shù)。

三、布線的創(chuàng)新點(diǎn)：擴(kuò)大對(duì)銅線的使用

除了對(duì)芯片架構(gòu)的創(chuàng)新應(yīng)用外，如何在芯片設(shè)計(jì)階段對(duì)布線進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，也是IBM研究人員研發(fā)的方向之一。

經(jīng)過(guò)“7nm and Beyond”項(xiàng)目研究，IBM研究人員對(duì)如何在這些晶體管和開(kāi)關(guān)上進(jìn)行布線有了一定的見(jiàn)解。

“我們的創(chuàng)新之一就是盡可能地增加對(duì)銅線的使用?！盜BM研究員Daniel Edelstein談到，其中最困難的部分在于對(duì)極其微小的溝槽進(jìn)行圖案化，并用銅進(jìn)行填充，使其沒(méi)有缺陷。

實(shí)際上，現(xiàn)階段銅的使用在晶體管布線中仍存在挑戰(zhàn)，但Edelstein認(rèn)為，在未來(lái)短時(shí)間內(nèi)，行業(yè)將不會(huì)從銅遷移到其他更特殊的材料。“因?yàn)榫湍壳暗纳a(chǎn)而言，銅的使用肯定還沒(méi)有達(dá)到極限。”他說(shuō)。

四、AI推動(dòng)異構(gòu)集成發(fā)展，新興存儲(chǔ)器取得突破

對(duì)IBM來(lái)說(shuō)，芯片尺寸、架構(gòu)和材料驅(qū)動(dòng)了“7nm and Beyond”項(xiàng)目的許多創(chuàng)新發(fā)展，但Edelstein和Huiming Bu都注意到，人工智能（AI）也在未來(lái)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展中扮演著關(guān)鍵的角色。

“隨著AI、大腦啟發(fā)式計(jì)算和其他非數(shù)字計(jì)算的出現(xiàn)，我們開(kāi)始在研究層面開(kāi)發(fā)其他設(shè)備，尤其是新興的存儲(chǔ)設(shè)備。”Edelstein談到，如相變存儲(chǔ)器（PCM）、憶阻器（Memristor），這些已被行業(yè)認(rèn)為是模擬計(jì)算設(shè)備。

IBM認(rèn)為，這些新存儲(chǔ)設(shè)備的出現(xiàn)，讓人們重新思考傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之外的潛在應(yīng)用。

目前，IBM研究人員正在思考和開(kāi)發(fā)磁阻式隨機(jī)存取內(nèi)存（MRAM）的新應(yīng)用，而IBM從30年前MRAM首次面世以來(lái)就開(kāi)始投入研究。

“如今，MRAM終于取得一定的突破?！盓delstein說(shuō)，它不僅可以實(shí)現(xiàn)制造，還可以滿足與靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）在系統(tǒng)緩存競(jìng)爭(zhēng)方面所需的各種要求。

2019年，半導(dǎo)體和顯示設(shè)備制造商應(yīng)用材料為客戶提供的相關(guān)解決方案，就直接證明了MRAM和其他非易失性存儲(chǔ)器（包括RRAM和PCM）能夠直接嵌入處理器中。

“將各種組件集成到統(tǒng)一計(jì)算系統(tǒng)的需求，正開(kāi)始推動(dòng)一個(gè)異構(gòu)集成的全新世界?！痹贖uiming Bu看來(lái)，構(gòu)建異構(gòu)架構(gòu)系統(tǒng)不僅將成為未來(lái)計(jì)算發(fā)展的關(guān)鍵，亦是受AI需求驅(qū)動(dòng)下一種新的行業(yè)創(chuàng)新策略。

結(jié)語(yǔ)：IBM為追求高效計(jì)算性能攻克先進(jìn)制程技術(shù)

作為全球重要的信息技術(shù)公司，IBM“7nm and Beyond”項(xiàng)目對(duì)新設(shè)備、新材料和新計(jì)算架構(gòu)的探索，是它在不斷追求實(shí)現(xiàn)更高效計(jì)算性能過(guò)程中，所邁出的重要一步。

隨著如今芯片制程技術(shù)發(fā)展到5nm，并不斷往更精細(xì)、更先進(jìn)的制程推進(jìn)，我們期待IBM在未來(lái)能夠?yàn)榘雽?dǎo)體行業(yè)帶來(lái)更多的創(chuàng)新思路和驚喜。